天然气管道泄漏爆炸风险CFD模拟分析

杨 帅，赵祥迪，郑 毅，王 正，张广文

(中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104)

0 前言

随着经济的高速发展，我国对天然气等优质能源的需求越来越大，液化天然气(LNG)行业是其中一个重要组成部分。随着我国天然气消费进入快速发展阶段，LNG液厂、LNG加气站也得到了广泛推广与应用。由于我国LNG的生产和应用尚处于起步阶段，LNG液厂及加气站的泄漏、火灾及爆炸事故的风险增大。2017年11月27日，陕西液化天然气发展投资有限公司的LNG加注站发生LNG管道液体泄漏，起火引燃管道外保温材料。LNG气化站泄漏事故分为LNG泄漏和气态天然气泄漏。当大量LNG发生泄漏后，会在地面形成流淌液池，起初蒸发时所产生的气体温度接近液体温度，密度大于空气，沿地面形成一个流动层。从环境中吸收热量后，气体也开始上升和扩散，形成密度小于空气的蒸气云团，极易引发火灾爆炸事故。

计算流体力学(CFD)方法为深入研究LNG泄漏扩散行为提供了一种新的途径。司凡结合浓度场和速度场分析了泄漏孔径、风速大小、泄漏方向、障碍物分布、泄漏源位置5种因素对天然气泄漏扩散的影响。秦雅琦等采用FLUENT软件对不同障碍物对LNG扩散行为的影响进行了分析，通过改变围堰尺寸增强对LNG重气气云扩散的阻挡能力。范勇等采用CFX软件对压缩机厂房内天然气泄漏扩散规律进行研究，提出了可燃气体报警探头的优化布局方法。这些研究都集中在LNG在开敞空间内的扩散规律方面，对泄漏初期管道负压卷吸氧气的情况并不清晰，管道内气相混合物是否达到爆炸极限对于应急处置措施的制定非常重要，因此研究泄漏后管道内气相混合物中天然气浓度变化，评估管道爆炸可能性，为LNG泄漏事故的应急处置提供技术支持。

1 模拟场景

针对液态LNG和压缩天然气CNG两种相态的天然气管道泄漏情况开展研究。管道泄漏后，上游截断阀及时将物料截断，对剩余管段内物料继续泄漏的场景进行数值模拟分析。为简化泄漏过程，在泄漏初期，在一段封闭管道内全部充满液态LNG或气相天然气，压力为8 MPa。管道采用直径200 mm，长1 000 mm的空心圆柱进行简化，外部扩散空间为3 200 mm×3 200 mm×5 000 mm的长方体，如图1所示。管道和外部扩散空间分别采用间距为20 mm和100 mm的六面体网格进行绘制，管道进行加密，共计54 879个三维网格，如图2所示。

图1 液态烃管道及泄漏扩散空间几何模型

图2 网格绘制

2 CFD模型

2.1 控制方程

LNG管道泄漏后，部分泄漏的LNG汽化为天然气，但管道内仍有LNG流动，整个运动过程属于气液两相流动。呈气态的天然气与残余的LNG具有清晰的相界面，相间并没有相互混合，流动过程满足两相流动的VOF模型。VOF模型引入了流体体积分数α的概念，各相流体体积分数之和等于1。不同的流动相共用一套动量方程，通过引进相体积分数实现对每个计算单元相界面的追踪。其连续性方程如式(1)所示，动量守恒方程如式(2)所示。

连续性方程：

(1)

式中：

α

——相体积分数；

v

——真实速度，m/s；

t

——时间，s；

ρ

——相密度，kg/m；

q

——第

q

相；

S

——质量源项，kg/ms。

动量方程：

(2)

式中：

μ

——黏度，Pa·s；

通过求解整个区域内单一的动量方程，得到的速度场是由各相共享的。动量方程取决于通过属性

ρ

和

μ

的所有相的容积比率。表面张力为表面力，通过CSF模型可以将表面力转化为体积力，如式(3)所示。

(3)

式中：

σ

——表面张力系数；

κ

——界面曲率。

2.2 相变模型

LNG汽化过程采用广泛应用的Lee相变模型进行描述，具体表达式如式(4)和(5)所示。

蒸发过程：

(4)

冷凝过程：

(5)

r

——控制相变强度的因子，可取值0.1。

2.3 边界条件及参数设置

天然气管道和气相空间的边界条件设置如图3所示，管道前端封闭，断裂处设置为内部界面,管道其余部分设置为壁面。气相空间进风口设定为速度进口，其余气相空间出口设置为压力出口。

图3 边界条件设置

3 模拟结果讨论

3.1 LNG管道泄漏

LNG管道断裂后，上游截断阀及时将物料截断，管道内初始压力为8 MPa，管道压力随着LNG的泄漏逐渐减小，空气被卷吸进入管道，管道内LNG出现清晰的流动界面，如图4所示。在泄漏初期，由于LNG的输送温度为-160 ℃左右，泄漏后与空气接触进行热量交换，空气中的水蒸气凝结，与泄漏的LNG汽化后的甲烷气体在管道下方靠近地面处团聚，如图5所示。LNG管道泄漏后，管道内的甲烷气体浓度并没有立即达到爆炸下限。由于LNG在初期即大部分泄漏至管道外，管道外附近的甲烷气体浓度反而很高，已超过了爆炸上限。在泄漏8.7 s后，LNG管道泄漏口处的甲烷气体浓度超过了爆炸下限，并且随时间沿轴向逐步向管道内部推进，如图6所示。发生泄漏8.7 s后，管道内的气相空间逐步达到甲烷气体的爆炸极限内，存在爆炸可能性。

图4 液相LNG分布云图

图5 气相甲烷摩尔分数分布云图

图6 气相甲烷摩尔分数随时间分布云图

3.2 CNG管道泄漏

CNG管道断裂后，上游截断阀及时将物料截断，管道内初始压力为8 MPa，管道压力随着泄漏逐渐减小，空气被卷吸进入管道，甲烷气体沿管道轴向逐渐向外扩散，管道内甲烷气体的浓度随管道轴向逐渐递减，如图7所示。在泄漏的前10 s内，管道内甲烷气体浓度一直高于甲烷的爆炸上限，管道内气相无爆炸风险。泄漏10 s后，管道断裂处的甲烷浓度低于爆炸上限，进入爆炸极限内，且管道内甲烷浓度随泄漏时间逐渐减低，但始终高于爆炸下限，管道气相存在爆炸可能性，如图8所示。泄漏51 s后，管道内的甲烷浓度开始低于爆炸下限，并随泄漏时间持续下降，管道内气相无爆炸可能性。

图7 甲烷气体分布云图

图8 气相甲烷摩尔分数随时间分布云图

4 结论

通过计算流体力学方法对LNG管道和CNG管道泄漏两种不同情况的泄漏场景进行数值模拟分析，得到如下结论。

a) LNG泄漏后，由于输送温度很低，空气中的水蒸气凝结，与汽化后的甲烷气体在管道下方靠近地面处团聚。

b) LNG泄漏后，氧气卷吸进入管道内，但无爆炸可能性，泄漏8.7 s后，管道内的气相混合物达到甲烷气体的爆炸极限，存在爆炸可能性。

c) CNG泄漏后，在泄漏10～51 s时间内管道达到甲烷气体的爆炸极限，存在爆炸可能性，其余时间内管道无爆炸可能性。

d) LNG泄漏后，管道附近长时间存在高浓度甲烷气体，在管道下风向一段距离内均存在蒸气云爆炸可能性。CNG泄漏后，甲烷气体迅速消散，仅泄漏前20 s内管道断裂附近小范围内存在爆炸可能性，20 s后CNG管道附近均无爆炸可能性。